Qué es la energía potencial eléctrica : Funcionamiento y sus aplicaciones

Siempre que te muevas aproximadamente en el campo gravitatorio de la tierra, es posible cambiar tu posición dentro de este campo ejerciendo energía. Del mismo modo, las cargas eléctricas tienen campos en su región. Por tanto, una carga eléctrica tiene que realizar algún trabajo si necesita cambiar su posición. Aquí el trabajo es el energía potencial eléctrica o energía eléctrica de la carga. La energía potencial es la capacidad de realizar trabajo que se produce a partir de la ubicación o la disposición.

Por ejemplo, si una carga positiva "Q" se coloca en algún punto del espacio, cualquier otra carga positiva que esté cerca de ella se enfrentará a una fuerza de repulsión, por lo que tendrá energía potencial. Hay diferentes tipos de energías potenciales, como la gravitacional, la elástica, la de los muelles y la eléctrica. Así que este artículo trata de uno de los tipos de energías potenciales como la energía potencial eléctrica.

¿Qué es la energía potencial eléctrica?

La definición de energía potencial eléctrica es: cuando un objeto gana algo de energía al alejarse del campo eléctrico. El potencial eléctrico puede obtenerse para cualquier cambio dividiendo la energía potencial por la cantidad de carga. También se conoce como potencial electrostático o potencial de campo eléctrico.

La energía potencial eléctrica de un objeto depende principalmente de dos elementos principales, como son su propia carga eléctrica y su ubicación relativa respecto a otros objetos cargados eléctricamente. Se trata de una cantidad escalar que puede medirse en términos de julios y se denota por V, ΔV, ΔU y U. La fórmula dimensional de la energía potencial eléctrica es ML^2T^-3A^-1.

Hay dos métodos comunes para medir la energía potencial eléctrica de cualquier sistema. Las unidades de energía potencial eléctrica comunes son los voltios (V) y los electronvoltios (eV). Las unidades básicas de los voltios pueden escribirse simplemente como julios por culombios (J/C). Un electrón-voltio o eV es la suma de energía que obtiene un electrón una vez que el potencial eléctrico de un sistema se incrementa en 1 voltio y los electrones-voltios (eV) se utilizan normalmente para medir la energía dentro de la física nuclear y de partículas.

Fórmula de la energía potencial eléctrica y su derivación

Considera el siguiente sistema que incluye cargas de dos puntos donde una carga de prueba positiva como q' se mueve dentro del campo generado a través de una carga de punto fijo como 'q' que se muestra en la siguiente figura.

En la figura anterior, la carga "q" en el punto "P" está fija y se desplaza del punto "R" al "S" a través de una línea radial PRS que se muestra en la figura anterior.

Sea la distancia entre dos puntos como P y R 'r1' mientras que 'r2' es la distancia entre dos puntos como P y S.

La magnitud de la fuerza sobre una carga de prueba positiva puede darse mediante la ley de Coulomb es

F = (1/4πε0) qq'/r^2

Si la carga q' se mueve en la dirección de 'S' a lo largo de un pequeño desplazamiento 'dr' entonces el trabajo realizado a través de esta fuerza mientras se realiza el pequeño desplazamiento 'dr' es

dW = F.dr

dW = (1/4πε0) qq'/r^2 x dr

El trabajo completo terminado a lo largo de esta fuerza cuando la carga de prueba se mueve del punto R al punto S, es decir, de r1 a r2, es

O W = qq'/4πε0 (1/r1-1/r2)

Por lo tanto, el trabajo realizado para esta trayectoria específica en la carga de prueba q' depende principalmente de los puntos de llegada, no del carril tomado.

El trabajo realizado al desplazar la carga de prueba q' de dos puntos R a S es equivalente al cambio dentro de la energía potencial al desplazar la carga de prueba q' de dos puntos R a S. Por tanto

W = U(r1) - U(r2)

Donde

U(r1) = qq'/4πε0r1 es la energía potencial eléctrica de la carga de prueba q' una vez que se encuentra en el punto 'R'.

U(r2) = qq'/4πε0r2 es la energía potencial eléctrica de la carga de prueba q' una vez que se encuentra en el punto 'S'.

Por tanto, la energía potencial de la carga de prueba q' a cualquier distancia 'r' de la carga 'q' puede darse mediante

U = qq'/4πε0r

La ecuación anterior da la energía potencial eléctrica para las cargas pares, que depende principalmente de la división entre las cargas, pero no de la ubicación de las partículas cargadas.

Si llevamos la carga de prueba q' desde la distancia r2=∞ a la distancia r1=r, entonces tenemos que realizar un trabajo de fuerzas eléctricas que equivale a un aumento de la energía potencial que puede darse por la ecuación anterior.

Por lo tanto, la energía potencial de la carga de prueba en cualquier punto dentro del campo eléctrico es el trabajo terminado de las fuerzas eléctricas para llevar la carga desde una gran distancia hasta alguna distancia considerada.

Potencial eléctrico debido a una carga puntual

En un campo eléctrico, el potencial eléctrico en un punto concreto puede definirse como la cantidad de trabajo realizado para mover una carga unitaria positiva desde el infinito hasta ese punto a través de cualquier camino una vez aplicada la fuerza electrostática.

Supongamos que una carga +ve se encuentra en un punto, entonces utilizará una fuerza debido a la existencia de un campo eléctrico. Así, el potencial eléctrico en cualquier extremo de la carga positiva '+q' a una distancia 'r' puede darse como

V = (1/4πε0) q/r

Donde

r' es el vector de posición de la carga +Ve.

'q' es la carga fuente.

Cuando la unidad de potencial eléctrico es el voltio, entonces 1V = 1 JC^-1

Una vez que se completa el trabajo al desplazar una carga de 1 culombio desde el infinito hasta un punto concreto debido al campo eléctrico de la fuerza electrostática, entonces se conoce como 1V del potencial electrostático en un punto concreto.

Del mismo modo, el potencial eléctrico debido a las cargas múltiples puede expresarse como

Diferencia entre Energía Potencial Eléctrica y Potencial Eléctrico

Ambos términos, energía potencial eléctrica y potencial eléctrico, están relacionados, pero existen algunas diferencias entre ellos que se exponen a continuación.

Ventajas y desventajas

El ventajas de la energía potencial eléctrica incluyen las siguientes.

• La energía nuclear es también un tipo de energía potencial eléctrica que es una forma de energía muy consistente.
• La electricidad generada a partir de la energía nuclear es bastante baja, aproximadamente de 3 a 5 c/kwh, lo que hace muy atractiva la construcción de centrales hidroeléctricas.
• El coste de esta energía es bajo en comparación con otras fuentes de energía como el gas y el carbón.

El desventaja de la energía potencial eléctrica es que depende de la carga del objeto en el campo eléctrico.

Aplicaciones

El aplicaciones de la energía potencial eléctrica incluyen las siguientes.

• Esta energía se utiliza para describir la energía potencial dentro de los sistemas mediante campos eléctricos variables en el tiempo.
• Esta energía es muy útil para mover una carga contra un campo eléctrico.
• Esta energía dentro de la electricidad es muy conveniente para utilizar cada unidad de carga conocida como tensión o potencial eléctrico.

Por tanto, se trata de una visión general de la energía potencial eléctrica y su derivación con ventajas, inconvenientes y aplicaciones. Aquí tienes una pregunta, ¿qué es la diferencia de potencial eléctrico?